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1705577690 有一晚,我邀请了某些大佬过来吃饭,其中就有斯蒂芬·斯梅尔(Stephen Smale),他十年前因证明了高维的庞加莱猜想而拿了菲尔兹奖。仍在系里访问的辛格来了。理察来了。米克斯也出现了,还带上一位刚认识的赤脚女士。他对带上一位不请自来的客人若无其事,丝毫不感尴尬,正说明了加州人跟东岸人的差异,这种情况在比较拘谨和贵族化的哈佛永远不会发生。母亲有时会为这些唐突的行为弄得不知所措,但到了最后,却能处之泰然,不让菜品的品质丝毫受损。
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1705577692 1977年深秋的一天傍晚,理察和我从伯克利的办公室回家吃饭,在途中我们对正质量猜想有了新想法。前面已经说过,正质量猜想是我1973年在斯坦福的一个会议上,从罗伯特·杰勒西的演讲那儿知道的,它是爱因斯坦想要解决的重要问题。这个猜想断言在一个孤立的引力系统,包括我们见到的星云,总质量或总能量必须是正的。很多包括杰勒西在内的物理学家对这命题深信不疑,故此他向几何学者下战书,挑战他们能否证明这个广义相对论中的老问题。
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1705577694 另一方面,有些几何学者如格罗莫夫却极力辩称,正质量猜想在最一般的情况下不可能成立。我可不会这么容易相信这些反话,就此罢手,我认为此中大有可为,且亦隐隐约约知道如何做。
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1705577696 在广义相对论中,人们研究时空中每一点(粗略而言,宇宙中每一点)的曲率,这是一套高度非线性的理论。我们想要证明的,说到底就是时空中每一点的物质密度都是正的时候,它的总能量也是正的。理察和我都觉得几何分析中的非线性方法,尤其是来自极小曲面的技巧,能对解决这猜想有所帮助。这些方法从来没有应用到这问题上,原因一点也不稀奇。正质量猜想跟最小曲面乍一看毫无共通之处,但我们有一种预感,依稀觉得后者正是解决猜想有效的解析工具。
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1705577698 碰过一些钉子后,我们归结出包含两步的方案:首先证明一个时空的纯量曲率点点为正时,它的总质量必为正;其次是构造一个纯量曲率点点为正的时空,它的质量和我们的宇宙一样。把这两者结合起来,即可知这新构造的时空具有正的总质量,是以我们所处的星云系统,质量也是正的。
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1705577700 1978年春,理察和我利用这个方法,先解决了猜想的一个特殊情况,即所谓时轴对称的情况,这是杰勒西原来就提出的。我们采用反证法,简单而言,假如孤立空间的总质量是负时,我们可在这空间中构造一个极小面积曲面,利用宇宙间物质密度非负的事实,可推导出这曲面的曲率必须为0,从而得出“这个空间必须是平坦的”这一矛盾结论。于是,我们证明了时空在时轴对称而又是非平坦时,空间的总质量必须大于0。这是正质量猜想中极为重要的一步。
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1705577702 然而,很多物理学者认定我们摘不掉时轴对称的假设。布兰代斯大学的斯坦利·德塞尔(Stanley Deser)和拉里·斯马特(Larry Smart)当时在哈佛访问,他们说除非在一般情况下证明了正质量猜想,否则这猜想不可能视为解决。其实在1978年夏天,访问伯克利一年后回到斯坦福,理察和我重拾这项目,我们借用了韩国物理学家P. S. Jung所研究的一条非线性方程,观察到它和我们考虑的极小曲面方程有相似之处。利用这方程,我们最终把整个猜想归结到早已证明的特殊情况上去。
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1705577704 证明了最一般的情况具有深远的意义。当宇宙的能量是正时,它意味着能量永远在零值之上,即它具有下界。另一方面,当总体能量取负值时,它并没有下界,能量可以持续地递减而不停止,这样宇宙会变得很不稳定,最后分崩离析。如此结局,以“困扰”二字来形容,还嫌不足。如果说,理察和我的证明拯救了整个宇宙,未免夸张了些,但它的确沿这方向前进了一步。这项工作可以视为几何分析的一个主要成就,它亦显示出这科目在数学中大有可为。求解这问题时发展出来的诸多工具至今还在使用,有些人甚至相信,这些工具和证明本身同样重要。
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1705577706 虽然如此,当我们的文章在1979年发表时,并没有引起许多物理学者的附和,或许里面的非线性计算令他们却步,甚至许多数学家也有同感。马里兰大学的物理学者胡比乐是我的中学校友,后来在高研院我还参加了他领导的毛泽东思想研读小组。他和许多研究者一样,完全不相信我们的证明。他在约翰·惠勒的指导下取得博士学位,惠勒是广义相对论方面数一数二的权威。比乐直截了当地说:“数学家怎可能证明这样重要的物理问题?”然而,经过四十多年,我们的证明依然屹立不倒。而这件工作的可信性,也因1978年8月斯蒂芬·霍金邀请我到剑桥访问而迅速提升。
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1705577708 我愉快地接受了邀请,并打算在赴剑桥的途中顺道应邀访问巴黎、罗马和赫尔辛基,并在赫尔辛基的国际数学家大会上演说。但这次旅程并不顺利,英国领事馆不久前取消我的香港身份证,理由是我拿了美国绿卡。于是我变成了无国籍的人,我不是任何国家的公民,只是美国的合法居民而已。由这段日子到1990年成为美国公民为止,我是个不折不扣的无国之民,夹在两个国家和两种文化之间。因此之故,海外旅行常常带来极大的困扰。我要先用“白卡”申请离开美国,如果程序有少许错漏,或许不能返回美国。
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1705577710 我拿不到去意大利的签证,只好把罗马从行程中删去。其实我已付了“额外的费用”给意大利领事,他本来说是可以搞定的,但最后还是不行。同样的情况在我再要去意大利时又重复了一次,付了额外的费用,却拿不到签证。另外有一次,迈克尔·阿提耶邀请我到威尔士,在伦敦数学学会的年会上演讲。当拿着白卡通过伦敦的海关时,他们给我诸多为难。他们如此问:“你到英国干什么?”我答道此行是为观光。“打算去哪里?”我答道:“去威尔士。”关员说道:“很明显那里不是观光的地方。”问到最后,我说我会和友人希钦教授一起去威尔士,希钦是牛津的名教授,至此我才被放行。总的来说,拿白卡旅游教人十分头痛。
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1705577712 回到1978年的8月,我拿到法国、德国和芬兰的签证,最后也到了英国与霍金和他的同事见面。我停留的第一站是巴黎,在法国高等科学研究所(IHES)我跟布吉尼翁、尼古拉斯·凯珀(Nicolaas Kuiper)和其他数学家见面。
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1705577714 我也遇见劳森,他从石溪来此地访问。我告诉他正质量定理的一些后续工作,其中包括有关具正纯量曲率流形的定理,以及理察和我有关这类流形结构的深入研究。特别地,我提到利用米尔诺和其他人引入的割补技巧,足以构造一大类几何上相似的三维流形。这种方法在数学上称为割补手术(surgery),因为它和人体器官的移植相似。它的基本想法是先把流形的某一部分(如一球面)移除,然后接上其他东西(如不同位置或维数的嵌入球面),手术前后不改流形纯量曲率为正的性质。这一点很要紧,因为我们可以大量利用拓扑的方法,来构造这纯量曲率为正的空间。在广义相对论中,由于物质密度必须为正,理察和我证明了黑洞以外的空间都存在纯量曲率为正的黎曼尺度,所以上述的拓扑方法可以用来了解宇宙的拓扑性质。
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1705577716 我们同时也证明了,如果拿两个同是三维的具正纯量曲率的流形,即如两个不同的宇宙,用一根管子或一座桥连在一起,可以造出一个新的三维流形或宇宙,其纯量曲率保持为正值。我详细地把方法跟劳森解释了,并且阐明如何在正纯量曲率空间中去完成割补手术的方法。
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1705577718 一年后即1979年,理察和我的文章发表在一份名声稍逊的学报《数学手稿》上。文中阐述的割补手术方法,后来成了研究具有正纯量曲率的流形的重要工具。现在大家都知道,每当割补手术使用得当,很多拓扑结果都会水到渠成。我们并没有在上文中探讨这些性质,毕竟当时的兴趣在于正质量猜想和更一般的广义相对论上。
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1705577720 在这期间,劳森和格罗莫夫合作,探讨这种割补蕴含的拓扑性质。他们的文章紧接我们的论文,发表于《数学年刊》上。
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1705577722 几何学家凯珀当时是IHES的院长,他邀请我和罗伯特·康奈利一起吃饭。来自康奈尔的康奈利一年前有一个重要的发现。当时他在研究大数学家欧拉于1766年提出的问题:“在空间中封闭的形体,除非把它撕开,否则它是不会变形的。”三维空间中的封闭曲面有“可塑”的概念;如果曲面能连续地变形,而其内在结构包括它的几何却始终不变的话,则称该曲面为可塑的曲面。
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1705577724 试以一简单例子说明这概念。把一张平放的纸逐渐卷起来成一圆筒,在这过程中纸作为一个曲面不断地在改变,但它的几何却是不变的,事关纸上两点在曲面上的距离,无论它是扁平或管状时,都没有改变。在这个例子中,纸张是可塑(但不是封闭)的。
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1705577726 1813年,法国数学家奥古斯丁—路易·柯西(Augustin-Louis Cauchy)论证三维空间中的凸多面体具有“刚性”,即是非可塑的。多面体由若干个多边形接合而成。凸多面体即其表面每点皆向外突出,如一个充了气的足球。可是,凹的多面体,如泄了气的足球,原则上是可塑的。
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1705577728 1977年,康奈利找到了第一个可塑的闭多面体,它由18个三角形作为面构成。每个三角形都是坚实不可拗弯的,但每一对相接的三角形的边就像铰链,可以向外或向内弯曲。就如前面例子中的纸张,多面体表面任何两点之间的最短距离,和这些三角形接边拗出或拗入无关。康奈利的多面体具可塑性,欧拉两个多世纪前的命题,数学家一直找不到的例子,终于给找出来了。其后康奈利和其他人更进一步,证明这些多面体虽然不断变形,体积却保持不变。
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1705577730 这个多面体后来被称为康奈利球面。他带了一个模型到巴黎,凯珀很喜欢这个模型。不久之后,他和当时也在IHES的皮埃尔·德利涅(Pierre Deligne)修改了它,又得到另外一种可塑的、具有18个面的多面体。
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1705577735 1760年代欧拉猜测所有多面体都具有刚性,但到了1970年中期,罗伯特·康奈利找到一个反例,即一个可塑的多面体。这类多面体必须是非凸的,并具有某些特殊的几何属性。这个建于IHES的“康奈利球面”建基于康奈利较早前的工作。其后,人们找到了更简单的可塑多面体。(感谢让—皮埃尔·布吉尼翁和IHES,图片引自康奈利和西蒙·格斯特的新书Frameworks, Tensegrities and Symmetry:Understanding Stable Structures)
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1705577737 在访问期间,凯珀邀请我、康奈利和美国数学家肯·里贝(Ken Ribet)一起去探访巴黎的艺术家,把康奈利的模型也拿上了。我们十分惊讶地发现,这些艺术家早就创造了可塑的多面体,并且制成了雕像。纵使并未正式学过几何,他们对几何具有极深刻的体会。艺术家和数学家的出发点大异其趣,方法截然不同,然而大家追求的都是美。恐怕创造美丽之物,或揭露大自然隐藏之美,乃是人类的通性,和职业与国籍并无关系。
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1705577739 那次逛巴黎挑起我的兴趣,虽然IHES离巴黎三十多公里之遥,我尽可能往城里走走。一天晚上,我和一位在IHES的斯坦福研究生在巴黎溜达,我们打算去看一部叫《希特勒》的电影,怎料在街上碰到法国数学家伯纳德·圣多纳(Bernard Saint Dona),他建议我们和他一起去听歌剧。可是,那位研究生坚持要看电影。失望的圣多纳只能慨叹两个美国来的乡巴佬,竟为了看一部讲述疯子和暴君的电影,而放弃城中更高雅的表演艺术。不过也要辩解一下,我稍后也参观了不少出色的博物馆,而且以后每次到巴黎,也会这样做。
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